Q550D高強板斷口分離缺陷的微觀分析

關 云 鄧照軍 陳慶豐 馬家艷

（武漢鋼鐵（集團）公司研究院 湖北 武漢：430080）

Q550D鋼屬于微合金低碳貝氏體鋼，其主要特點是強度高、韌性好、焊接性能優良。主要應用在工程機械、煤礦機械、造船和鋼結構等領域［1－2］。但在實際生產過程中，拉伸分離缺陷是較常見的斷口形貌。直接導致產品不合格。針對這一問題，采用金相分析、掃描電鏡和透射電鏡顯微分析等檢測方法，對拉伸斷口分離的Q550D試樣進行了顯微組織及亞結構等微觀分析，對引起分離缺陷的機理進行了探討。

1 試驗材料與方法

試驗用Q550D鋼采用TMCP＋RPC＋T工藝生產，厚20mm，回火溫度為600℃，成分見表1。做橫向拉伸試驗時，拉伸斷口發生了嚴重分離，中心裂紋深度達到26.2mm。

表1 試驗材料的化學成分（wt%）

將分層斷口試樣用無水乙醇溶液進行超聲波清洗，用掃描電鏡對斷口形貌進行觀察分析；然后切斷試樣、沿分離面掰開，對分離面形貌進行觀察分析；在遠離裂紋的未變形區板厚中部和分離裂紋末端分別切取斷口的橫截面試樣，用金相顯微鏡對金相組織進行對比分析；在未變形區和拉伸縮頸部位分別切取縱截面薄片，制備透射電鏡薄膜試樣，用透射電鏡對其微觀組織及亞結構進行觀察分析。

2 試驗結果

2.1 斷口形貌

圖1為斷裂面的微觀形貌。圖1（a）表明，拉伸斷口呈現分層形狀，斷面裂紋垂直于拉伸軸方向；在斷口橫截面中部、接近1／2板厚區域發生平行于拉伸軸方向的撕開分離現象，其撕裂寬度達到1.3 mm、深度達到26.5mm；圖1（b）表明，分層斷口為韌性斷裂，斷面上以細小韌窩為主、有少量大韌窩，未見明顯夾雜物。

圖2為分離撕裂面的微觀形貌。圖2（a）表明，裂紋源位于與拉伸斷口交界的邊緣、為撕裂纖維區，沿拉伸方向呈放射性擴展，在分離面與斷口的分界處有較大的塑性變形；圖2（b）表明，分離面為準解理斷裂，微觀形貌由準解理小平面和撕裂棱組成。

2.2 斷口橫截面的顯微組織和裂紋特征

橫向拉伸實驗的斷口橫截面平行于鋼板的軋制方向，圖3為斷口橫截面的組織形貌。圖3（a）和（b）表明，試驗用Q550D鋼的組織為貝氏體＋顆粒狀碳化物，其中貝氏體晶粒沿軋向變形拉長，沒有明顯組織偏析帶；碳化物主要分布在晶界及亞晶界上；圖3（c）表明，分離裂紋主要沿貝氏體晶界或板條界擴展，截面上可見多條裂紋并存，裂紋面分離時便形成撕裂棱或臺階。

圖1 斷裂面的微觀形貌

圖2 分離面的微觀形貌

圖3 斷口截面的金相組織形貌：未變形的板厚中心區域（a）、（b）；分離裂紋末端區域（c）

2.3 斷口橫截面的組織亞結構

圖4為未變形處板厚中心區域的組織亞結構形貌，可見組織以板條貝氏體＋碳化物為主，位錯密度較高，碳化物形態不規則，主要沿貝氏體晶界及亞晶界（即板條界）呈鏈狀分布，晶內碳化物分布較均勻，部分晶界及碳化物附近有位錯塞積。經能譜分析，呈鏈狀分布的碳化物主要為100mm～300nm的滲碳體；晶內碳化物主要為50nm以下的（Nb，Ti）（C，N）。整體組織較完整，未見微孔洞或微裂紋。

圖5為拉伸縮頸部位的組織亞結構形貌，可見變形時大尺寸滲碳體發生破碎或與基體分離形成微孔洞或微裂紋，晶內細小析出相未發現與基體分離現象；由于鏈狀滲碳體密度較大，變形引起的微孔洞或微裂紋容易相互貫通形成宏觀裂紋。

圖4 未變形板厚中心區域的組織亞結構形貌

圖5 拉伸縮頸部位的組織亞結構形貌

3 討論

鋼板軋制為厚度方向壓縮，長寬兩個方向延伸。試驗的組織、亞結構結果表明，在Q550D高強板拉伸試樣的未變形處，貝氏體晶界因軋制而變形拉長，在其晶界或板條界存在鏈狀分布的不規則形碳化物，部分晶界及碳化物周圍存在位錯塞積；拉伸變形時位錯塞積群引起應力集中，在縮頸區域可見較大尺寸的碳化物處因減聚力及粒子的斷裂優先產生了微裂紋或孔洞，鏈狀碳化物所在晶界的微裂紋相互貫通形成了宏觀裂紋；宏觀裂紋主要沿變形拉長的貝氏體晶界擴展，最終發生破壞。說明分離缺陷的發生與鏈狀分布的碳化物及變形貝氏體晶粒密切相關。

關于剛性夾雜物及第二相粒子對金屬材料斷裂行為的影響，已有的研究表明［3－5］，在均勻變形過程中，第二相粒子等非均值相的存在會導致孔洞或空位的形核，伴隨頸縮形成的約束會產生一個新的應力，這個應力導致了孔洞的擴展；同時頸縮的幾何外形產生了垂直于拉伸軸方向的新的拉應力，導致在平行于拉伸軸的方向形成裂紋。試驗的斷口觀察結果表明，平行于拉伸軸方向的分離裂紋的長度大于試樣厚度，分離面為準解理斷裂，其微觀形貌表現為由撕裂棱連接的解理小平面，準解理裂紋常起源于晶界碳化物；垂直于拉伸軸方向的主斷口為韌窩斷裂，頸縮嚴重；在分離面與拉伸斷口的分界處有較大的塑性變形。這是因為拉伸變形為拉伸軸方向延伸，2個垂直方向壓縮，使拉伸軸方向的應力集中遠大于其它2個方向；頸縮時優先在拉伸軸方向形成分離裂紋，與形成于撕裂缺口根部的拉伸斷口匯合，最后導致試樣斷裂。

在試樣的拉伸斷口上，由于塑性變形要消耗大量變形功，結果使裂紋尖端的最大應力下降，裂紋擴展變慢；而在拉伸軸方向的板厚中心區域塑性變形最小，應力最大，裂紋擴展快，所以分離裂紋較長。

綜上所述，拉伸變形前，試樣組織連續不存在裂紋，分離裂紋是拉伸變形后產生的；微裂紋及孔洞的形核起源于貝氏體晶界及亞晶界呈鏈狀分布的大尺寸滲碳體顆粒；主斷口的頸縮變形產生了垂直于拉伸軸方向的新的拉應力，導致在平行于拉伸軸的方向形成裂紋；以上二者是導致斷口產生分離缺陷的主要原因。在拉伸軸方向的板厚中心區域塑性變形最小，應力最大，并且變形拉長的貝氏體晶粒加速裂紋的擴展，使分離裂紋的擴展速度大于拉伸斷口裂紋，分離裂紋的長度大于試樣厚度。

4 結論

（1）拉伸變形前，組織為貝氏體＋碳化物，部分晶界及碳化物周圍存在位錯塞積，但不存在裂紋，分離裂紋是拉伸變形后產生的。

（2）在拉伸變形過程中，大尺寸滲碳體顆粒附近的位錯塞積引起應力集中，形成微裂紋及孔洞；同時拉伸斷口的頸縮變形導致微裂紋及孔洞在拉伸軸的方向優先擴展形成裂紋；兩者共同作用成為產生分離缺陷的主要原因。

（3）分離裂紋的長度與裂紋擴展時的應力狀態及組織變形程度有關。板厚中心區域在平行于拉伸軸方向應力最大，裂紋擴展阻力最小；變形拉長的貝氏體晶界對裂紋擴展起促進作用。

［1］唐鄭磊，張紅偉，楊東，等.Q550D低碳高強度鋼板的開發研究［J］.金屬材料與冶金工程，2011，39（4）：3－7.

［2］陳文滿，李利，肖亞，等.≥550MPa低合金高強鋼板的研制與開發［J］.重鋼技術，2009，52（1）：28－34.

［3］［英］Derek Hull著，李曉剛，董超芳，杜翠薇，等譯.斷口形貌學 ［M］.北京：科學出版社，2009.

［4］饒添榮，李杰，成國光，等.DH36高強度船板拉伸斷口分離缺陷分析［J］.鋼鐵研究，2010，38（1）：21－24.

［5］韓榮東，劉靜.等.Q390E鋼板拉伸試驗試樣斷口分層原因分析［J］.武漢工程職業技術學院學報，2009，21（3）：19－21.